DE19852149A1 - Device for determining the spatial coordinates of objects - Google Patents

Device for determining the spatial coordinates of objects

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Abstract

The invention relates to a device for determining the spatial co-ordinates of objects, comprising a projection device for irradiating the objects from at least two predetermined directions, each with at least two light patterns or with one light pattern whose brightness curve corresponds to the sum of the brightness curves of two crossed linear gratings. A sensor device records the intensity measurements of the object surface being illuminated by the light pattern for two-dimensions. An evaluation device uses these to determine at least four phase measurements for each of the recorded measuring points and uses these to determine at least all of the spatial co-ordinates of the points and preferably, the inner and outer orientation parameters for all of the projector positions or projectors and the correction parameters for distorting the projection optical systems. The object being measured is arranged on a rotating table on which there is a supporting device with bearing elements. The bearing elements are arranged in different radial directions in relation to the rotating table and can be rotated with said rotating table about its axis of rotation. At least one spatially two-dimensionally resolving receiver, preferably as many as are required for the complete detection of the object being measured, are arranged on the support device in any different positions in relation to the object. The projector device is situated next to the rotating table.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestim­ mung der räumlichen Koordinaten von Gegenständen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.The invention relates to a device for determining the spatial coordinates of objects the preamble of the main claim.

Es sind eine Vielzahl von Verfahren und Anordnungen bekannt, die durch Projektion von Gitterlinien, Gray-Code-Sequenzen oder auch einer Kombination von Git­ terlinien und Code-Sequenzen Daten für die Berechnung von Oberflächenformen, Oberflächengeometrien oder auch Koordinaten von ausgewählten Objektpunkten ge­ winnen.There are a variety of procedures and arrangements known by projecting grid lines, Gray code sequences or a combination of Git Lines and code sequences Data for the calculation of surface shapes, surface geometries or also coordinates of selected object points win.

In derartigen Vorrichtungen werden die Gitterlinien oder Gray-Code-Sequenzen auf die zu vermessende Ge­ genstandsoberfläche projiziert. Eine CCD-Kamera regi­ striert an jedem ihrer Empfängerelemente die Intensi­ tät der Bildpunkte von der Objektoberfläche. Mit be­ kannten mathematischen Algorithmen werden daraus Pha­ senmeßwerte berechnet. Schließlich werden aus diesen Phasenmeßwerten und den Bildkoordinaten der Meßpunkte in der Bildebene des Aufnahmesystems sowie unter Ver­ wendung von Systemparametern (Orientierungsparame­ ter), die die geometrischen und die Abbildungsbedin­ gungen im Sensor beschreiben, die Koordinaten der Meßpunkte errechnet. Beispielsweise ist aus der DE 44 16 108 eine Vorrichtung bekannt, bei der Gitterlinien aus unterschiedlichen Richtungen auf die zu vermes­ sende Objektoberfläche projiziert werden. Die Koordi­ naten werden aus Phasenmeßwerten unter Verwendung der Systemparameter bestimmt, wobei letztere separat vor dem eigentlichen Meßvorgang erfaßt werden müssen. Ei­ ne solche bekannte Vorrichtung weist den Nachteil auf, daß jede nachträgliche Veränderung der Orientie­ rungs- oder Systemparameter das Ergebnis verfälschen.In such devices, the grid lines or Gray code sequences on the Ge to be measured projected object surface. Regi a CCD camera the Intensi on each of its receiver elements act of the pixels from the object surface. With be Known mathematical algorithms become Pha  calculated measured values. Eventually, these become Phase measurements and the image coordinates of the measurement points in the image plane of the recording system and under Ver application of system parameters (orientation parameter ter), the geometrical and the mapping conditions conditions in the sensor describe the coordinates of the Measuring points calculated. For example, from the DE 44 16 108 discloses a device in which grid lines from different directions to the to be measured projecting object surface. The Koordi data are derived from phase measurements using the System parameters determined, the latter before separately the actual measuring process must be recorded. Egg ne such known device has the disadvantage that any subsequent change in the Orientie System or system parameters falsify the result.

Neben optischen 3D-Meßverfahren auf der Basis von Streifenprojektionstechniken sind photogrammetrische 3D-Meßverfahren bekannt, wobei Grundlage für die Be­ rechnung von 3D-Koordinaten der Meßpunkte die Bildko­ ordinaten, d. h. zweidimensionale Abstände der Bild­ punkte vom Meßobjekt von einem willkürlich festgeleg­ ten Koordinatenursprung eines zweidimensionalen Koor­ dinatensystems in der Bildebene des Empfängers ist. Diese Bildkoordinaten müssen für eine Koordinatenbe­ rechnung aus mindestens zwei unterschiedlichen Kame­ rapositionen gemessen werden. Vorteilhaft bei diesen Meßverfahren ist, daß pro Meßpunkt ein überzähliger Meßwert gewonnen werden kann, wobei auf diese Weise bei hinreichend vielen Meßpunkten simultan Koordina­ ten, innere und äußere Orientierungsparameter der Ka­ mera sowie Korrekturparameter für die Verzeichnung berechnet werden. Erhebliche Schwierigkeiten bei der Verwendung photogrammetrischer Meßverfahren bereitet jedoch die Tatsache, daß die Bildkoordinaten an homo­ logen Meßpunkten bestimmt werden müssen. Vorausset­ zung dafür ist, daß für eine Punktauswahl die Meßob­ jektoberfläche geeignet texturiert ist oder daß Mar­ ken auf das Meßobjekt aufgebracht werden. Die Extrak­ tion homologer Bildpunkte ist sehr zeitaufwendig und erfordert spezielle Auswertealgorithmen.In addition to optical 3D measurement methods based on Streak projection techniques are photogrammetric 3D measuring method known, the basis for the loading calculation of 3D coordinates of the measuring points the image co ordinates, d. H. two-dimensional distances of the image points from the target by an arbitrary th coordinate origin of a two-dimensional coordinate dinatensystems in the image plane of the receiver. These image coordinates must be used for a coordinate calculation from at least two different came positions are measured. Advantageous with these Measuring method is that there is one surplus for each measuring point Measured value can be obtained, in this way with a sufficient number of measuring points, coordina ten, inner and outer orientation parameters of the Ka mera and correction parameters for distortion be calculated. Significant difficulties with the Prepares using photogrammetric measurement methods however, the fact that the image coordinates at homo  measurement points must be determined. Prerequisite The reason for this is that the measurement ob surface is suitably textured or that Mar ken be applied to the test object. The Extrak tion of homologous pixels is very time consuming and requires special evaluation algorithms.

Nach einem Vorschlag in der DE 196 37 682 A1 können die Probleme bei der aufwendigen Kalibrierung umgan­ gen werden, wenn das zu vermessende Objekt aufeinan­ derfolgend aus mindestens zwei vorbestimmten Richtun­ gen mit jeweils zwei Lichtern oder Gitterlinienbil­ dern beleuchtet wird, bei denen die Gitterlinienrich­ tungen um einen Winkel zueinander verdreht sind. In diesem Fall können Koordinaten, unbekannte Orientie­ rungsparameter und Korrekturparameter für die Ver­ zeichnung simultan bestimmt werden, wenn die Anzahl der Meßpunkte eine vorbestimmte Anzahl übersteigt. Ein Markieren der Meßpunkte ist nicht erforderlich. Das Meßergebnis liefert unskalierte Koordinatenmeß­ werte in einem freien Koordinatensystem, die Orien­ tierungsparameter des Projektors und ggf. auch der Kamera sowie Parameter zur Korrektur von Projektor und Kamera.According to a proposal in DE 196 37 682 A1 the problems with the complex calibration avoided if the object to be measured is in contact consequently from at least two predetermined directions conditions with two lights or grid lines is illuminated where the grid lines are rich are rotated at an angle to each other. In in this case, coordinates, unknown orientie Verification parameters and correction parameters for Ver Drawing can be determined simultaneously when the number the measuring points exceed a predetermined number. It is not necessary to mark the measuring points. The measurement result provides unscaled coordinate measurement values in a free coordinate system, the orias parameters of the projector and possibly also the Camera and projector correction parameters and camera.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung zum Bestimmen der räumlichen Koordinaten von Gegenständen entsprechend dem Stand der Technik zu schaffen, die einfach in ihrem Aufbau und leicht handhabbar ist und mit der es möglich ist, Koordina­ ten und System- bzw. Orientierungsparameter simultan zu bestimmen sowie Teilansichten ohne die Markierung von Verknüpfungspunkten bzw. ohne Hilfe von Matching­ prozeduren klaffungsfrei zusammenzufügen. Diese Auf­ gabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. The invention has for its object a direction to determine the spatial coordinates of Objects according to the state of the art create that simple in structure and easy is manageable and with which it is possible to coordina and system or orientation parameters simultaneously to be determined as well as partial views without the marking of connection points or without the help of matching merging procedures without gap. This on Gift is according to the invention by the characteristic Features of the main claim solved.  

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah­ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse­ rungen möglich.By the measure specified in the subclaims Men are advantageous further training and improvements possible.

Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel in DE 196 37 682 A1 ist in der vorgeschlagenen Vorrichtung der Projektor stationär aufgebaut. Jeder einzelne Projek­ tor ist lediglich in der Höhe über dem Meßobjekt und in seiner Neigung zum Meßobjekt verstellbar. Gegebe­ nenfalls können weitere Projektoren in unterschiedli­ chen Orientierungen zum Meßobjekt am gleichen Gestän­ ge 9 befestigt oder auch weitere stationäre Projek­ torhalterungen aufgebaut werden. Dadurch entfällt in der Zeit der Meßwertaufnahme eine zwischenzeitlich notwendige Projektorbewegung wie in DE 196 37 682 A1. Dieser Sachverhalt vereinfacht den technischen Auf­ wand für den Aufbau der Meßanordnung und macht das Gesamtsystem leichter handhabbar.In contrast to the exemplary embodiment in DE 196 37 682 A1, the projector is constructed to be stationary in the proposed device. Each individual projector is only adjustable in height above the measurement object and in its inclination to the measurement object. If necessary, other projectors can be fastened in different orientations to the object to be measured on the same linkage 9 or other stationary projector holders can also be built. As a result, in the meantime there is no need for a projector movement, as in DE 196 37 682 A1. This fact simplifies the technical effort for the construction of the measuring arrangement and makes the overall system easier to handle.

Durch die Befestigung der Kameras an einem Rahmen wird erreicht, daß die Kameras in allen Drehtischpo­ sitionen exakt den gleichen Bildausschnitt auf die Empfängerfläche abbilden. Das ist unbedingt verlangt, da anderenfalls die Phasenmessung nicht an homologen Meßpunkten erfolgt, so daß eine zuverlässige Koordi­ natenberechnung nicht mehr möglich ist. Die gemesse­ nen Koordinaten an den Meßpunkten aller Kameras lie­ gen in jedem Falle im gleichen Koordinatensystem, wenn bei der Tischdrehung immer solche Drehwinkel ge­ wählt werden, daß in der Summe aller Kamerabilder ei­ ne von Null verschiedene Schnittmenge in den ausge­ leuchteten Flächen benachbarter Projektorpositionen gesichert wird. In der Schnittmenge sollten minde­ stens drei Meßpunkte liegen. Bei einer beliebigen Projektorbewegung - wie in DE 196 37 682 A1 vorge­ schlagen - ist die genannte Bedingung nicht zwangs­ läufig erfüllt.By attaching the cameras to a frame is achieved that the cameras in all rotary table po sitions exactly the same image section on the Show receiver area. This is imperative otherwise the phase measurement is not based on homologous Measurement points are made so that a reliable coordi data calculation is no longer possible. The measured coordinates at the measuring points of all cameras in any case in the same coordinate system, if such rotation angles always occur when rotating the table be selected that in the sum of all camera images ne non-zero intersection in the out illuminated areas of adjacent projector positions is secured. In the intersection, at least there are at least three measuring points. Any one Projector movement - as featured in DE 196 37 682 A1  hit - the condition mentioned is not mandatory commonly met.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische perspektivische Ansicht der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung.An embodiment of the invention is in the Drawing shown and is in the following Description explained in more detail. The only figure shows is a schematic perspective view of the inventions device according to the invention.

Entsprechend der Figur ist das zu vermessende Objekt bzw. der zu vermessende Gegenstand 1 auf einem Dreh­ tisch 2 angeordnet, an dem ein Gestänge oder Rahmen 4 befestigt ist. Der Rahmen 4 weist senkrechte Säulen 3 auf, die über Querstreben 5 miteinander verbunden sind, wodurch der gesamte Aufbau stabilisiert wird. Der Rahmen 4 ist gemeinsam mit dem Drehtisch 2 um die Drehtischachse 6 drehbar. An den Rahmensäulen 3, aber ggf. auch an den Querstreben 5 sind Halterungen ange­ bracht, an denen CCD-Kameras 7.1 bis 7.n befestigt sind, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel vier Kameras verwendet werden. In der Regel werden so vie­ le Kameras 7.1 bis 7.n in beliebigen unterschiedli­ chen Positionen zum Meßobjekt eingesetzt, wie für die vollständige Erfassung der Meßfläche durch die unter­ schiedlichen Teilbilder erforderlich sind.According to the figure, the object to be measured or the object to be measured 1 is arranged on a rotary table 2 , on which a linkage or frame 4 is attached. The frame 4 has vertical columns 3 which are connected to one another via cross struts 5 , as a result of which the entire structure is stabilized. The frame 4 can be rotated together with the turntable 2 about the turntable axis 6 . On the frame columns 3 , but possibly also on the cross struts 5 , brackets are attached, to which CCD cameras 7.1 to 7 .n are attached, four cameras being used in the exemplary embodiment shown. As a rule, so many cameras 7.1 to 7 .n are used in any different positions relative to the measurement object, as are required for the complete acquisition of the measurement area by the different partial images.

Seitlich vom Drehtisch 2 mit dem starr mit ihm ver­ bundenen Rahmen 4 sind an einem Gestänge 9 mehrere, im Ausführungsbeispiel 2 Projektoren 8.1 bis 8.n an­ gebracht, wobei jedoch auch nur ein Projektor vorge­ sehen sein kann. Er wird so aufgestellt, daß das Meß­ objekt 1 und in vorteilhafter Weise auch Teile der Umgebung des Meßobjekts ausgeleuchtet werden. Seine Höhe über dem Meßobjekt 2, die Neigung seiner opti­ schen Achse zum Meßobjekt kann der Meßaufgabe ange­ paßt werden. Weiterhin kann der bzw. können die Pro­ jektoren 8.1 bis 8.n als Einheit um eine zu optischen Achse des Projektors parallelen Achse drehbar sein wobei nach einer zusätzlichen Drehung des Projektors wiederum aufeinanderfolgend jeweils zwei Serien von Gray-Code-Sequenzen und phasenverschobene Gitterlini­ en mit zwischenzeitlicher Gitterdrehung um 90° proji­ ziert werden.To the side of the turntable 2 with the frame 4 rigidly connected to it, several, in the exemplary embodiment 2 projectors 8.1 to 8 .n are brought to a linkage 9 , but only one projector can be seen. It is set up so that the measurement object 1 and advantageously also parts of the surroundings of the measurement object are illuminated. Its height above the measurement object 2 , the inclination of its optical axis to the measurement object can be adapted to the measurement task. Furthermore, the one or more projectors 8.1 to 8 .n can be rotated as a unit about an axis parallel to the optical axis of the projector. After an additional rotation of the projector, two series of Gray code sequences and phase-shifted grating lines are used in turn interim grid rotation can be projected by 90 °.

Hinsichtlich der Anordnung des Meßobjektes 1 auf dem Drehtisch 2 können auch solche verwendet werden, in denen das Meßobjekt 1 auf einem zusätzlichen Podest liegt, so daß von entsprechend am Rahmen 4 angebrach­ ten Kameras 7 auch die Unterseite bzw. Teile der Un­ terseite des Meßobjekts 1 erfaßt werden können.With regard to the arrangement of the measurement object 1 on the turntable 2 , those can also be used in which the measurement object 1 lies on an additional pedestal, so that cameras 7 attached to the frame 4 also attach the underside or parts of the underside of the measurement object 1 to the underside can be detected.

Als Projektoren 8 können unterschiedliche Systeme verwendet werden. Eine erste Art von Projektoren weist auf Glasträger aufgebrachte Gray-Code-Sequenzen sowie vorzugsweise vier oder fünf Liniengitter auf, die um jeweils 90° in der Phase zueinander verschoben sind. Bei einer solchen Gitteranordnung sind die Gla­ sträger bzw. die Projektoren um eine Achse parallel zur Gitternormalen mit einem Winkel zwischen 10° und 90° drehbar.Different systems can be used as projectors 8 . A first type of projectors has Gray code sequences applied to glass supports and preferably four or five line gratings which are each shifted in phase by 90 ° to one another. In such a grating arrangement, the glazing supports or the projectors can be rotated about an axis parallel to the grating normal with an angle between 10 ° and 90 °.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Projek­ tor aus matrixförmig angeordneten Einzelelementen aufgebaut, wobei die Einzelelemente beispielsweise als LCD-Chips ausgebildet sind. Dabei werden einzelne rechteckförmige Bereiche bzw. Pixel von einer Steuer­ spannung so angesteuert, daß eine Gray-Code-Sequenz und nachfolgend vier oder fünf um jeweils 90° in der Phase zueinander verschobene Liniengitter und darauf­ hin um 90° verdreht eine zweite Gray-Code-Sequenz und nachfolgend vier oder fünf Liniengitter mit einer Phasenverschiebung von 90° zueinander erzeugt werden. In another embodiment, the project is Gate made of individual elements arranged in a matrix built up, the individual elements for example are designed as LCD chips. In doing so, individual rectangular areas or pixels from a tax voltage so controlled that a gray code sequence and then four or five at 90 ° each Line grid shifted towards each other and on top of it rotates a second Gray code sequence and subsequently four or five line grids with one Phase shift of 90 ° to each other can be generated.  

In diesem Fall liegen die Kanten des Gray-Codes und die Gitterlinien einmal parallel und einmal senkrecht zu den Spalten der LCD-Matrix oder umgekehrt.In this case, the edges of the Gray code and the grid lines once parallel and once vertically to the columns of the LCD matrix or vice versa.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die ma­ trixförmig angeordneten Einzelelemente in einer DMD Technologie ausgeführt, wobei die Einzelelemente kleine bewegliche Spiegelflächen auf einem Chip sind. Bei der Ansteuerung eines Spiegelelementes wird die­ ser ausgelenkt und das von einer auf die Mikrospie­ gelmatrix gerichtete Lichtquelle ausgesandte auftref­ fende Licht wird nicht in die für die Abbildung er­ forderliche Strahlrichtung zurückgeworfen. Die An­ steuerung der Spiegelelemente erfolgt wiederum so, daß jeweils aufeinanderfolgend zwei Gray-Code-Se­ quenzen und nachfolgend vier oder fünf um jeweils 90° in der Phase zueinander verschobene Liniengitter um 90° gegeneinander verdreht erzeugt werden. Darüber hinaus werden die Einzelspiegel so angesteuert, daß die Intensitätsverteilung im Bild des Liniengitters cos2-förmig ist.In a further exemplary embodiment, the individual elements arranged in a matrix form are implemented in DMD technology, the individual elements being small movable mirror surfaces on a chip. When driving a mirror element, the water is deflected and the incident light emitted by a light source directed at the micro mirror matrix is not reflected back in the beam direction required for the image. The control of the mirror elements is again carried out in such a way that two Gray code sequences in sequence and subsequently four or five line gratings, each shifted by 90 ° in phase with one another, are produced rotated by 90 ° relative to one another. In addition, the individual mirrors are controlled so that the intensity distribution in the image of the line grating is cos 2 -shaped.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel eines "digita­ len Projektors" mit matrixförmig angeordneten Einze­ lelementen sind diese auf der Grundlage von D-ILA-Tech­ nologien (Direct Image Light Amplifier) ausgebil­ det, wobei die Einzelelemente wiederum pixelweise an­ gesteuert werden. Wird ein Element aktiviert, so wird in Abhängigkeit vom Wert der angelegten Spannung durch Energieübertragung auf Flüssigkristalle das Re­ flexionsverhalten dieses Elementes verändert. Anson­ sten wird die Ansteuerung der Einzelelemente, wie oben erwähnt, durchgeführt und die Intensitätsvertei­ lung im Gitterlinienbild ist in guter Näherung, wie oben erwähnt, durch eine cos2-Verteilung gegeben. In a further exemplary embodiment of a “digital projector” with individual elements arranged in the form of a matrix, these are designed on the basis of D-ILA technologies (Direct Image Light Amplifier), the individual elements in turn being controlled pixel by pixel. If an element is activated, the reflective behavior of this element is changed depending on the value of the voltage applied by energy transfer to liquid crystals. Otherwise, the control of the individual elements is carried out, as mentioned above, and the intensity distribution in the grid line image is, as mentioned above, given by a cos 2 distribution.

Der Meßvorgang mit der Vorrichtung nach der Figur läuft in folgender Art und Weise ab. In einer ersten Einstellung des Drehtisches 2 wird, wie oben be­ schrieben, eine Serie von Graycode-Sequenzen und pha­ senverschobenen Gitterlinien aufeinanderfolgend um 90° zueinander verdreht auf die Meßfläche projiziert. Jede Kamera 7 registriert in den für sie sichtbaren Punkten die Intensitätswerte der jeweils projizierten Strukturen und es werden die Phasendifferenzen in den jeweils zwei Phasenbildern für jede Beleuchtungsrich­ tung in Bezug auf immer einen gleichen Referenzwert gebildet. Der Referenzwert markiert den Nullpunkt des Bildkoordinatensystems für jede Projektorposition bzw. Drehtischposition. Der Referenzpunkt bzw. der Nullpunkt des Bildkoordinatensystems wird vorteilhaf­ terweise in den Durchstoßungspunkt der optischen Ach­ se des Projektors durch die Gitterebene gelegt. Aus den Phasendifferenzen bzw. den Intensitätsmeßwerten werden unter Verwendung bekannter Algorithmen für die Projektorposition die beiden Bildkoordinaten jedes Meßpunktes berechnet, wie sie aus der Photogrammetrie bekannt sind. Die Meßpunkte, an denen gemessen wird, sind die virtuellen Bildpunkte der Empfängerelemente aller Kameras auf der Meßfläche. Ggf. wird in der gleichen Drehtischposition der Projektor um eine zu seiner optischen Achse parallelen Achse gedreht und die Projektion der Intensitätsstrukturen wiederholt.The measuring process with the device according to the figure takes place in the following manner. In a first setting of the turntable 2 , as described above, a series of gray code sequences and phase-shifted grid lines are successively rotated by 90 ° to one another and projected onto the measuring surface. Each camera 7 registers the intensity values of the respectively projected structures in the points visible to it and the phase differences are formed in the two phase images for each lighting direction with respect to always the same reference value. The reference value marks the zero point of the image coordinate system for each projector position or rotary table position. The reference point or the zero point of the image coordinate system is advantageously placed in the penetration point of the optical axis of the projector through the grating plane. The two image coordinates of each measurement point, as are known from photogrammetry, are calculated from the phase differences or the intensity measurement values using known algorithms for the projector position. The measuring points at which measurements are made are the virtual pixels of the receiver elements of all cameras on the measuring surface. Possibly. the projector is rotated about an axis parallel to its optical axis in the same rotary table position and the projection of the intensity structures is repeated.

Die zusätzliche Drehung - in der Photogrammetrie nach zusätzlicher Drehung der Kamera auch Kantung genannt - ist von Vorteil und ggf. auch zwingend erforder­ lich, wenn simultan zu den Koordinaten und den Orien­ tierungsparametern auch die Korrekturparameter für die Abbildungsfehler (Verzeichnung) der Projektorop­ tik bestimmt werden. The additional rotation - in photogrammetry additional rotation of the camera also called edging - is of advantage and possibly also absolutely necessary if simultaneous with the coordinates and the orias tation parameters also the correction parameters for the aberration (distortion) of the projector top be determined.  

Nach Abschluß der Meßwertaufnahme in der ersten Dreh­ tischposition wird der Tisch 2 mit dem Gegenstand 1, dem Rahmen 4 und den Kameras 7.1 bis 7.n um seine Drehachse 6 verdreht. Der Drehwinkel kann beliebig gewählt werden, er sollte aber größer als 5° sein. Die Änderung der Drehtischposition entspricht syste­ matisch einer Änderung der Projektorposition. In die­ ser zweiten Drehtischposition werden Meßwerte, wie oben für die erste Drehtischposition beschrieben wur­ de, aufgenommen. Dabei muß sich der Projektor 8 in dieser zweiten Drehtischposition nicht notwendiger­ weise in der gleichen Höhe über dem Objekt befinden und mit gleicher Achsneigung das Objekt 2 beleuchten. Die Veränderung der Drehtischposition oder auch der Projektorposition erfolgt dabei so, daß es in den ausgeleuchteten Meßfeldern für die aufeinanderfolgen­ den Drehtischpositionen eine gemeinsame Schnittmenge gibt, in der mindestens drei Meßpunkte aus allen Ka­ meraansichten liegen.After completion of the measurement in the first rotary table position, the table 2 is rotated with the object 1 , the frame 4 and the cameras 7.1 to 7 .n about its axis of rotation 6 . The angle of rotation can be chosen as desired, but it should be greater than 5 °. The change in the turntable position systematically corresponds to a change in the projector position. Measured values as described above for the first rotary table position are recorded in this second rotary table position. In this second rotary table position, the projector 8 does not necessarily have to be at the same height above the object and illuminate the object 2 with the same axis inclination. The change of the turntable position or the projector position takes place so that there is a common intersection in the illuminated measurement fields for the successive turntable positions, in which at least three measurement points lie from all camera views.

Die Aufnahmeprozedur wird anschließend für eine drit­ te oder auch für weitere Drehtischpositionen wieder­ holt. Günstig sind 4 bis 21 Drehtischpositionen.The admission procedure is then for a third te or again for other rotary table positions get. 4 to 21 rotary table positions are favorable.

Aus den in jeder Kameraposition gemessenen Bildkoor­ dinaten werden in einem beliebig vorgewählten Raster oder interaktiv an beliebig über das Meßwertfeld ver­ teilten Punkten oder an Punkten unter Berücksichti­ gung von vorgegebenen Auswahlkriterien für alle Pro­ jektionsrichtungen bzw. Drehtischpositionen, die gül­ tige Meßwerte liefern, Bildkoordinaten aus der Ge­ samtmenge aller Bildkoordinaten Meßwerte extrahiert. Mögliche Auswahlkriterien sind z. B. vorgegebene Schranken für die Sichtbarkeit, die Modulation der Intensitätsmeßwerte für die Phasenberechnung an jedem Empfängerelement oder die Mindestanzahl der Beleuch­ tungsrichtungen, die am Meßpunkt einen gültigen Meß­ wert liefern.From the image measurement measured in each camera position Dinates are arranged in a pre-selected grid or interactively ver at any via the measurement field shared points or at points taking into account selection criteria for all professionals injection directions or rotary table positions, the gül deliver measured values, image coordinates from the ge total amount of all image coordinates measured values extracted. Possible selection criteria are e.g. B. predetermined Barriers to visibility, modulation of the Intensity measurements for the phase calculation on everyone Receiver element or the minimum number of lighting  directions that a valid measurement at the measuring point deliver worth.

Insgesamt sollten Meßwerte an mindestens 100 Meßpunk­ ten ausgewählt werden, wobei die Maximalzahl nach oben prinzipiell nicht begrenzt ist. Anzustreben ist eine gleichmäßige Verteilung dieser Punkte über die Meßfläche und die Einbeziehung von Meßpunkten in der Umgebung des eigentlichen Meßobjektes in den nachfol­ genden Bündelausgleich.In total, measured values should be at at least 100 measuring points ten are selected, with the maximum number after is in principle not limited above. Is to be striven for an even distribution of these points over the Measuring surface and the inclusion of measuring points in the Environment of the actual measurement object in the following bundle compensation.

An den ausgewählten Meßpunkten werden mit allen dort gemessenen Bildkoordinaten unter Verwendung bekannter Bündelausgleichsalgorithmen simultan die Koordinaten der Meßpunkte, die äußeren Orientierungsparameter für alle Projektor- bzw. Drehtischpositionen, die inneren Orientierungsparameters des Projektors einschließlich von Korrekturparametern für Abbildungsfehler der Pro­ jektionsoptik berechnet. Mit den dann bekannten Ori­ entierungs- und Korrekturparametern werden schließ­ lich an allen verbleibenden Meßpunkten mit mindestens drei gültigen Bildkoordinatenmeßwerten die Koordina­ ten berechnet.At the selected measuring points, everyone will be there measured image coordinates using known Bundle compensation algorithms simultaneously coordinate the measuring points, the external orientation parameters for all projector or turntable positions, the inner Orientation parameters of the projector including correction parameters for aberrations of the Pro injection optics calculated. With the then known Ori Entry and correction parameters are closed Lich at all remaining measuring points with at least three valid image coordinate measured values the coordinate ten calculated.

Im Ergebnis der Auswertung liegen für die Meßpunkte unskalierte Koordinatenmeßwerte in einem freien Koor­ dinatensystem vor. Um eine richtige Skalierung der Koordinatenmeßwerte zu sicher, wird entweder mit dem zu vermessenden Objekt gleichzeitig mindestens ein Körper vermessen, von dem ein Längenmaß bekannt ist (z. B. eine Kugel mit bekanntem Radius), oder die be­ rechneten Koordinatenwerte werden über ein bekanntes Stichmaß im Meßobjekt nachträglich skaliert.The result of the evaluation lies for the measuring points unscaled coordinate measurements in a free koor dinate system. To correctly scale the Coordinate measurements are too safe, either with the at least one object to be measured at the same time Measure the body of which a measure of length is known (e.g. a sphere with a known radius), or the be calculated coordinate values are over a known Gauge subsequently scaled in the measurement object.

Die beschriebene Meßanordnung kann in jeder Projek­ tor- bzw. Drehtischposition durch ihre 6 äußeren Ori­ entierungsparameter (drei Koordinaten der Projekti­ onszentren, drei Drehwinkel um die mitgedrehten Koor­ dinatenachsen), ihre drei inneren Orientierungspara­ meter und durch zusätzliche Parameter zur Korrektur der Abbildungsfehler beschrieben werden. Dabei sind die äußeren Orientierungsparameter in jeder Projek­ torposition für alle Meßpunkte gleich. Die inneren Orientierungsparameter einschließlich der Korrektur­ parameter sind darüber hinaus unabhängig von der Pro­ jektorposition, wenn davon ausgegangen werden kann, daß für alle Projektionen der gleiche Projektor ver­ wendet wird und sich die inneren Orientierungsparame­ ter dieses Projektors in einem Meßvorgang nicht ver­ ändern. Wird das Meßobjekt aus mindestens zwei ver­ schiedenen Projektorpositionen bzw. Drehtischpositio­ nen beleuchtet, stehen für die Berechnung der Koordi­ naten eines Meßpunktes mehr als die notwendigen drei Meßwerte zur Verfügung. Sind n die Anzahl der Meß­ punkte, j die Anzahl der Projektorpositionen und k die Anzahl der Korrekturparameter für Abbildungsfeh­ ler, dann können Koordinaten und Orientierungs- sowie Korrekturparameter simultan berechnet werden, wenn gilt:
The measuring arrangement described can be described in each projector or rotary table position by its 6 outer orientation parameters (three coordinates of the projection centers, three rotation angles around the co-rotating coordinate axes), their three inner orientation parameters and by additional parameters to correct the imaging errors. The external orientation parameters are the same in every projector position for all measuring points. The inner orientation parameters including the correction parameters are also independent of the projector position, if it can be assumed that the same projector is used for all projections and the inner orientation parameters of this projector do not change in one measurement process. If the measurement object is illuminated from at least two different projector positions or rotary table positions, more than the necessary three measurement values are available for the calculation of the coordinates of a measurement point. If n is the number of measuring points, j the number of projector positions and k the number of correction parameters for imaging errors, then coordinates and orientation and correction parameters can be calculated simultaneously if:

n.j≧3.n+6.j+k+3.n.j ≧ 3.n + 6.j + k + 3.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der räumlichen Koor­ dinaten von Gegenständen mit einer Projektions­ vorrichtung zur Bestrahlung der Gegenstände aus mindestens zwei vorbestimmten Richtungen jeweils mit mindestens zwei Lichtmustern oder mit einem Lichtmuster, dessen Intensitätstransmission der Summe der Intensitätstransmissionen zweier ge­ kreuzter Liniengitter entspricht, mit einer Sen­ sorvorrichtung zur punktweisen Aufzeichnung der auf die Gegenstände gestrahlten Lichtmuster als Intensitätsmeßwerte, die im Schnittbild mit der Objektoberfläche linear voneinander unabhängige Phasenmeßwerte liefern und mit einer Auswerte­ einrichtung, die für jeden der aufgezeichneten Punkte mindestens vier Phasenmeßwerte und aus diesen mindestens alle räumlichen Koordinaten der Punkte bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß der zu vermessende Gegenstand (1) auf einem Drehtisch (2) angeordnet ist und mit dem Dreh­ tisch (2) eine Stützanordnung (4) mit Tragele­ menten (3, 5) in unterschiedlichen Winkelstel­ lungen in Bezug auf den Drehtisch (2) verbunden ist, die mit dem Drehtisch (2) um deren Drehach­ se (6) drehbar ist, wobei an der Stützanordnung (4) an unterschiedlichen beliebigen Positionen zum Gegenstand (1) mindestens zwei, jedoch so viele räumlich zweidimensional auflösende Emp­ fänger (7) angeordnet sind, wie sie für die Er­ fassung der zu messenden Bereiche des Gegenstan­ des (1) erforderlich sind, und daß neben dem Drehtisch die mindestens eine Projektorvorrich­ tung (8) angeordnet ist.1. Device for determining the spatial coordinates of objects with a projection device for irradiating the objects from at least two predetermined directions, each with at least two light patterns or with a light pattern whose intensity transmission corresponds to the sum of the intensity transmissions of two crossed line gratings, with a sensor device means for pointwise recording of the irradiated on the objects light pattern as intensity values that provide linearly independent of each other in the sectional view with the object surface measured phase and with an evaluation that for each of the plotted points at least four phase measurement values, and determined from this at least all spatial coordinates of points, characterized characterized in that the object to be measured ( 1 ) is arranged on a rotary table ( 2 ) and with the rotary table ( 2 ) a support arrangement ( 4 ) with Tragele elements ( 3 , 5 ) in different edel angular positions in relation to the turntable ( 2 ), which is rotatable with the turntable ( 2 ) about its axis of rotation ( 6 ), the support arrangement ( 4 ) being in any desired position on the object ( 1 ) at least two, However, as many spatially two-dimensional Emp catchers ( 7 ) are arranged as are required for the detection of the areas to be measured of the subject matter ( 1 ), and that the at least one projector device ( 8 ) is arranged next to the rotary table. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Projektorvorrichtung (8) hin­ sichtlich ihrer Höhe über dem Gegenstand (1) und der Neigung ihrer optischen Achse zum Gegenstand (1) bei unterschiedlichen Drehwinkeln des Dreh­ tisches (2) unterschiedlich einstellbar ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the projector device ( 8 ) visibly its height above the object ( 1 ) and the inclination of its optical axis to the object ( 1 ) at different angles of rotation of the rotary table ( 2 ) is differently adjustable . 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Projektorvorrich­ tung (8) um eine zu ihrer optischen Achse paral­ lelen Achse drehbar ist.3. Apparatus according to claim 1 or claim 2, characterized in that the projector device ( 8 ) is rotatable about an axis parallel to its optical axis. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Unterseite oder von Teilen der Unterseite des Gegenstandes (1) der Drehtisch (2) ein Podest zur Aufnahme des Gegenstandes aufweist.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that for detecting the underside or parts of the underside of the object ( 1 ), the turntable ( 2 ) has a pedestal for receiving the object. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektorvor­ richtung (8) Gray-Code-Sequenzen und drei, vor­ zugsweise vier bis fünf um jeweils 90° in der Phase zueinander verschobene Liniengitter er­ zeugt, die um einen Winkel zwischen 0° und 90° um eine Achse parallel zur Gitternormalen dreh­ bar sind.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the Projektorvor direction ( 8 ) Gray code sequences and three, preferably four to five by 90 ° in phase shifted line grid he testifies to one Angles between 0 ° and 90 ° around an axis parallel to the grid normal are rotatable. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gray-Code-Sequenzen und Lini­ engitter auf Glasträger aufgebracht sind.6. The device according to claim 5, characterized records that the Gray code sequences and Lini are applied to the glass support. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Projektorvorrichtung matrix­ förmig angeordnete Einzelelemente aufweist, die entsprechend den zu erzeugenden Gray-Code-Se­ quenzen und Gitter einzeln ansteuerbar sind.7. The device according to claim 5, characterized records that the projector device matrix has individual elements arranged in a shape which  corresponding to the Gray code se to be generated sequences and grids can be controlled individually. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einzelelemente durch Anlegen einer Steuerspannung selektiv in ihren Transmis­ sions- und/oder Reflexionseigenschaften verän­ derbar sind.8. The device according to claim 7, characterized records that the individual elements by creating a control voltage selectively in their transmis sions and / or reflective properties change are changeable. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einzelelemente als von einer Lichtquelle angestrahlte bewegliche Spiegelele­ mente ausgebildet sind, die bei Ansteuerung in ihrer Abstrahlrichtung veränderbar sind.9. The device according to claim 7, characterized records that the individual elements as of one Movable mirror elements illuminated by light source elements are formed which when activated in their direction of radiation are changeable. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Drehtisch (2) zusammen mit dem zu vermessenden Gegenstand eine Strecke mit bekannter Länge angeordnet ist, und daß die Auswerteeinrichtung die Koordinaten­ meßwerte unter Verwendung der bekannten Länge skaliert.10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that on the turntable ( 2 ) together with the object to be measured, a distance is arranged with a known length, and that the evaluation device scales the measured values using the known length. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrich­ tung unter Verwendung eines bekannten Stichmaßes im zu vermessenden Gegenstand die berechneten Koordinatenmeßwerte nachträglich skaliert.11. The device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the evaluation device tion using a known gauge in the object to be measured, the calculated Coordinate measurements subsequently scaled. 12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Kugel mit bekanntem Durchmes­ ser zusammen mit dem Gegenstand vermessen wird.12. The apparatus according to claim 10, characterized records that a ball with a known diameter ser is measured together with the object.
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